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一种新型主动锁模光纤激光器腔长稳定技术研究_图文

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第3 3卷 第 8期 
20 0 4年 8月  







报 

Vo . 3 No 8 13   .  
Au u t 0 4 g s  0   2

ACTA  PHOTONI CA  I CA  S NI



种 新 型 主 动锁 模 光 纤 激 光 器 腔 长稳 定 技 术 研 究 术  
李 亚 男 于晋龙  王  剑  戴居 丰  杨 恩 泽   
( 天津大 学 电子信 息工 程学 院光纤 通信 实验 室 , 育部 光 电子 中 t 教  , 实验 室 , k 开放 天津 30 7 ) 002 





提 出 了一 种 全 新 的 主 动 锁 模 光 纤 激 光 器 的 腔 长稳 定 方 案 ,通 过 波 长 的 变化 检 测 腔 长 的 漂 

移 , 用 波 长锁 定 器得 到 偏 移 误 差 信 号 补 偿 腔 长 变化 .实验 得 到 了脉 宽 为 7 6 p 使 .  s的 近 变换 极 限 锁 

模脉冲 , 其超模抑 制 比达到 6   B 并且在 近 2h的 3 作 时间 内3 作稳 定 , 0d ,   - . - . 波长漂 移小 于 0 0  m  . 1n . 与 已有的 方案相 比较 , 不但输 出脉 冲质量 高、 并可长 时 间稳 定 3 作 , - 而且 由于采用 了低 成本 的稳 定  .
方案 , 易于 实现 . 更  

关键词

主动锁模光 纤激光 器; 波长锁 定器 ; 超模噪 声; 色散补偿 光纤 
T 28 1 N 4 .  文 献 标 识 码  A  

中 图分 类 号 

0 引 言   
在 O D / M 光纤 通信 系统 中 , T M WD 主动锁 模 光  纤激光器 因其具有高重复频率 、 波长 可调谐 、 可输 出  变换极限光脉 冲等优 点 , 在未来 高 速率光纤 通信 系 
统 中是 一 种 非 常 理 想 的 光 信 号 源 .但 是 , 于 主 动  由 锁 模 光纤 激 光 器 腔 长 较 长 ( 常 为 几 十 到 几 百 米 )  通 ,

在锁模腔 内, 同 的波长 分量 在 D F 色散 补  不 C ( 偿光纤 ) 中传输 时 的群速 度是 不 同的 , 于 Ⅳ 次谐  对
波 锁 模 , 腔 长 固 定 时 , 同 的 中心 波 长 对 应 着 不 同  当 不

的调制频率 , 关系可表示 为  其
, . .  


T A)一L  /   ( nⅡ c—



一 

一 

+nL   ad

,1、  

、  

式 中. 为调制频 率 , 厂 皿 Ⅳ为谐波次 数 , ( ) T A 为中心波 
长 为 A的 光 脉 冲 沿 环 形 腔 行 进 一 周 所 用 的 时 间 ,  C

容 易受机械震动 、 温度 等外界因素的影 响 , 引起锁模 

激光器 的腔长漂移 .所 以 , 如何稳 定腔长 成 为保 证 
锁 模 光 纤 激 光 器 稳 定 工 作 的 关 键 , 也 是 国 内外 研  这
究 的热 点 .  

为光速 ,  为腔长 , 为腔 内有效 折射 率 , 为环 形      腔 内单模光纤 长 度 , 为单模 光纤 折射 率 , 为环      形腔 内色散补偿光纤长 度 , 为色散 补偿光纤 折射   
率 , L   =L +L  . 这 里 假 设 环 形 腔 由 S   有 n   dd ( MF 和 D F两 种 光 纤 组 成 , 忽 略 E F 中 的 掺 E 光  C 而 DA r

目前 , 了 解 决 主 动 锁 模 光 纤 激 光 器 的稳 定 性  为 问题 , 国科 研 工 作 者 提 出 了 多 种 方 案 ¨ j 各   .本 文  提 出 了一 种 应 用 波 长 锁 定 器 来 检 测 腔 内变 化 的全 新  方案 , 现锁模光纤激光器在时域和频域的稳定 ,   实 避

纤长度 . 考虑调制频率与腔长 的对 应关系 , ) 可以推 
导出锁模 状态下 腔长与波长 的变化 率 .由色散参量 
的 定 义 得 到 
J 一 

免 了以往方 案中为 了检 测低 速 率的腔长 变化 , 不  却 得不采用 高速率器件 ( PN) 如 I 的时域检测方案 的弊 
端, 可以大大简化 系统 , 降低 系统 的成 本 , 并得 到理 
想 的 实验 结 果 .  

U /,f / e
_

=c   D

() 2 

d A 

由式 ( ) ( ) 得   1 、2 ,

(m !  厂


厂 D (   +DdA) )  (   A) (  d 
N —

厂   ,、  D 。 
L  、 /     )

1 工作 原理   
在 主 动锁 模 光 纤激 光 器 中 引 入 大 色 散 方 案最 初  是作 为 一 种 波 长 调 谐 技 术 出现 的 L , 过 同 样 的 原  8 通 j 理 , 还 可 以作 为 一 种 在 锁 模 激 光 器 中 检 测 腔 长 变  它 化 的技 术 .  

d   一— — A

  一— N —

式 中 D 和 D 分别为腔内单模 光纤 和色散补偿光纤      的色散参 量 ,D  为 腔 内光 纤 等 效 色 散 .在 含 有 
D F的 大 色 散 腔 内 , 的 色 散 参 量 为 负 的 , D = C 总 即    

(   +   ) L< .因此 , D D / 0 根据式 ( ) 3 可知 : 当调制  频率发生变化时 , 光器 中心波 长将 与调制频 率沿  激
同方 向变 化 .   由式 ( ) ( ) 1 和 3 可推 导 得 到 色 散 腔 主 动 锁模 光纤  环 形激 光 器 中 的波长 变 化 和腔 长 变化 之 间 的关 系为 
d   A Ⅱ  

大色散腔调谐波长的原理是通过改变调 制频 率 
或 腔 长来 改 变输 出 的 波 长 , 过 来 说 , 反 当输 出 波 长 改  变 时 , 以得 到 腔 长 和 调 制 频 率 的变 化 量 , 据这 个  可 根

变化量 , 通过反馈控 制装 置 , 能够 补偿腔 长 的变化 ,  
实 现 激光 器 腔 的 长 时 间 稳 定 .  
‘ 家 8 3项 目( 0 1 A 1 2 0 资助  国 6 20 A 3 2 2 )
Te : 2 —2 4 41 3 l0 2 7 0 4   Ema l lu tr @ h t i. o   i:h n e y omal c r n

d   c  L L Df  f

() 4 

由式 ( ) 4 可知 , 腔长 漂移 最终 可 以通 过波 长 的  变化表现 出来 .这样我们 就可以通过波长敏感器件  ( 如波长锁定器 ) 进行检测 , 而得 到腔长变化 的信  进

收 稿 日期 :0 3 0 1 2 0 —1 —3  

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3 3卷 

息, 通过反馈控制机 构就有可 以实 现腔长 的稳定 .  

2 实验 研 究   
图 1 附 加 了腔 长 稳 定 结 构 的主 动 锁 模 光 纤 环  是 形 激 光 器 的 实 验 装 置 图 .调 制 信 号 是 由 微 波 源 
,  -

溉 

簋  

( 3 7 A) 生 的 1  H 信号 , 8 12 产 0G z 调制 激 光器 腔 内的 
损 耗 , 生 的光 脉 冲 , 9 :0的耦 合 器 的 9 % 的 端  产 由 01 0
() to ttbl ai e i s aWi us izt ndvc   h a i o e
' _  

口进入锁模 腔 ;0 1 %的端 口输 出激 光器 . 中 , 其 隔离  器保证光信 号在 激 光 器 内 的单 向传输 ; D A提供  EF
增 益 ; 可 变延 时 线 由步 进 电 机 带 动 , 于 调 整 激 光   电 用

^  

^  

,  
!  
~ 一  

器的腔长 ; C ( 散 补偿 光 纤 ) DF色 提供 大 的色 散 量 ;  
2 m的可调带通滤波器 , 节输 出波长 . n 调  
,  

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,  

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.  

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() d gs bl ai e i s bAd m t izt ndvc   a i o e

图 2 锁模 激光 器腔 内输 出的 1  H 0G z锁模 脉 冲 
F g 2 Ou p twa eo m  f 1   Hz mo e lc e   b rrn  a e   i.   t u   v f r o   0 G   d —o k d f e  i g ls r i
3 l &8  d Bm  l l 68  _.   31 9 l o 00   d dv B,i 
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图 1 腔长 稳定 的主动 锁模 光 纤环 形 激光 器 的实验 装 置   
F g 1 Ex e me tlc n i u ai n o   c ie y mo e lc e   b r i.   p r n a   o f r to   fa t l  d — k d f e   i g v o i

- _  23l 9 431  . 9 . 3l  6 9

lsrw t tb ly o a i  e gh ae   ih sa i t  fc vt ln t  i y

图 3 锁 模 激 光 器 的输 出 光 谱 
Fi .   Ou p to t a  p cr   ft e mo e l k d f e  a e   g3 t u   p il s e t o     d —o e   b rl s r c a h c i

腔长 反 馈 控 制 部 分 是 由波 长 锁 定 器 和 控 制 电路   组 成 的 .由 9 : 合 器 的 5 的端 口输 出 的 锁 模 脉  55耦 % 冲进 入 波长 锁 定 器 , 长 锁定 器 可 以检 测 输 出 波 长 的  波

超 模 噪 声 是 光纤 锁 模 激 光 器 的 主要 噪 声 源 .通 

过 电谱仪可 以清楚的 了解输 出脉 冲的超模 噪声 的特  性 .图 4是光纤锁模激光 器输 出的光脉 冲电谱 . 其 
中 图 4 ( ) 没 有 加 稳 定 措 施 及 D F大 色 散 情 况 下  a是 C

偏移方 向和偏移量并产生偏移误差信号 , 对其 进行处  理 后提 供给 驱动 电路 , 驱动 电可变 延 时线 的步进 电  机, 从而实现对激光器腔长 的反馈控制 , 其波 长稳定  精度可达 0 02n . 出的信 号经 过一段 负 色散 的  .0 m 输
普 通 单模 光 纤 对 啁 啾 进 行 补 偿 , 以 得 到 压 窄 的 脉  可 冲 .最 后 输 出 通 过 示 波 器 (   3 8 A) 光 谱 仪   HP 84 0 、 ( gln 6 4 B) 电 谱 仪 (  5 3 进 行 测 试 . A i t 12 和 e 8 HP8 6 E)  

的 输 出 电谱 , 以读 出超 模 抑 制 比为2  B 右. 可 5d 左  
RL 0d Bm 

鼬 _ B W… r  
 ̄30L   一  - 1 Hz


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一   … 一 l一…  

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主动锁模光纤 激光器 的稳定 工作 时 间一般 是几 
分 钟 左 右 , 方 案 的稳 定 系 统 响 应 时 间 为 毫 秒 级 , 本 完  全 可 满 足 系统 要 求 .  
CENTER n0 O O l o O GHz   RBW   30k   Hz S N 2 oIl    气 n0 vHz . W P1.sc S 00e  

图 2是激光 器腔 内只有 单模 光纤 ( 2 a ) 图 ( ) 和 
单模光纤加 色散补偿光纤 和波长锁定器 ( 2 b ) 图 ( )  时 输 出 的锁 模 脉 冲 .从 图 中 可 以 看 到 , 图 2( ) 在 a  中 , 形 幅 度 抖 动 较 大 , 且 波 形 的线 型 也 比 较 粗 , 波 而   说 明得 到 的锁 模 脉 冲 的 噪 声 很 大 .图 2( 的波 形  b) 图 线 条 很 均 匀 , 很 细 , 明 得 到 的输 出脉 冲 的 质 量  也 说 很好 , 间抖动很小 , 声很 小 . 时 噪  

vBW 30k   . Hz

() to ttblaindvcs aWi u a i t   i   h s i o e e z
RL 0dBm    1 E 0d   lDD o GHz 0 Oo  

l   l  
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I0 9 ( Hz   . 0 ̄ l0  
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i   i   l  l. ÷ - 1 上 二  —       … .   j 上 l l   l l{ 1  1l匹H       —  i —    L 1 1   




 

图 3是锁模 激 光器输 出的光谱 图 , 谱线 间隔为 
1  Hz谱 宽 为 0 32 n 输 出 脉 冲 的 中 心 波 长 为  0G , . 5  m,

a J TER O0 O 0 l o 0 GHz   RBW   30k   Hz

SP N  0 A l 2 0M Hz   S VP5 0e   、 . sc 6

VBW 30k   . Hz

14 .2n .可 以看 到光 谱 的多个纵模 谱 线 比较清  59 3  m
晰 , 也 说 明 了输 出 的 锁 模 脉 冲 的 质 量 非 常 好 , 声  这 噪
很小 .  

() dn tbl ain e i s bAd igs izt dvc   a i o e

图 4 电谱 仪上 显 示 的锁模 激 光器 的超模 噪声   
F g 4 S p r d e n ie o   d e l k d f e  a e   n a i .   u e mo   os   f mo —o e   b rl ro     c i s s c r m  n y e   e p tu a a s r l

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8期 

李 亚男 等 .一 种新 型 主动 锁模 光 纤激 光 器腔 长 稳定 技术 研究 

89 9 

图 4( ) b 为增 加稳 定 措施 后 的大色 散 腔输 出 电谱 ,  
可 以 看 到 它 的 超 模 抑 制 比 达 到 接 近 6   B左 右 , 0d 表  现 出非 常 好 的 超模 抑 制 特 性 .   通 过 对 电谱 仪 上 的超 模 问 隔 进 行 计 算 可 得 激 光 

比 不 加 波 长锁 定 器 改 善 了 6 0倍 .可 以看 出 腔 长 的  稳 定 性 也 大 大提 高 了 ; 时 , 光 器 的输 出也 非 常 稳  同 激

定, 其输 出波形一 直如 图 6 b , 均时 间抖 动小 于  ( )平 1 3 s从趋 势 上看 , .  . p 若继续 工作 , 可一直稳 定下去.  

器 的腔 长  为 2 5m, 中 D F长度约为 2 0m 9  其 C 6  .通 
过 测 量 调 制 频 率 和 输 出光 的 波 长 的 变 化 关 系 , 以  可

得到腔 内的平 均色散值 为 6 .p/ n ? m) 25 s(m k .  
. .


:     :

  ●  

。  
.  

使用 自相 关仪 可得 到输 出脉 冲 的 自相关 曲线 ,  
如 图 5 a , 宽 为 1 .  s含 有 一 定 量 的 正 啁 啾 . ( )脉 7 3p ,  







 







 

为 了压窄光 脉冲 , 通过 一段 负 色散 的普 通单 模光 纤 
对 啁 啾 进 行 补 偿 .经 计 算 单 模 光 纤 的 最 佳 长 度 


tm i  / n

() to ttbl ain e i s aWi us izt d vc   h a i o e

2 3  m 在 实 验 中 , 际使用 了 2 5 k 单模 光  .4k . 实 .  m

纤进行补偿 , 压窄 后脉 冲的 自相关 曲线 如 图 5 b , ( ) 
测 得 脉 宽 为 7 6 p ,时 间 带 宽 积 为 0 3 4 .  s . 3 .将 实 际  的光 脉 冲 波 形 分 别 与 理 想 的 高 斯 曲线 和 双 曲正 割 曲 

线相 比较 , 我们发 现 , 该光 脉 冲的形状更 接近双 曲正 
割 曲线 ( 如 图 5 b) 正 ( 中表 示 的 ) .考 虑 到 理 想 的 双   曲正 割 光 脉 冲 的 时 间 带 宽 积 为 0 3 5 输 出 的 光 脉  .1, 冲 是 一 个 质量 很 高 的 双 曲 正 割 光 脉 冲 .  
量 /I I—  享   【 oo 嵌I
tmm   /

() d ig tb i t ndvcs bA dn s iz i ei   al ao e

图 6 输 出波长 与 时 间的 变化关 系 
F g 6 Ou p twa e e gh v  i   i.   t u   v l n t   it ms

羔 亨  萋    运 耋

4 结 论   
通过分 析和实验 , 以看 出 , 可 通过采用此稳定方 
案 的 主 动 锁 模 光 纤 激 光 器 , 到 了高 质量 的 , 宽 为  得 脉 7 6p 近 变 换 极 限 锁 模 脉 冲 , 超 模 抑 制 比达 到  . s的 其 6  B, 0d 与普 通 的 锁 模 光 纤 激 光 器 相 比 , 模 抑 制 比  超 提 高 了近 3  B 5 d .另 外 , 近 2 h的 测 试 中 , 长 漂  在   波 移 小 于 0 0  m, 不 加 波 长 锁 定 器 的 情 况 相 比 , . 1n 与 波 

长漂移减小 了近 6 0倍 .比起 已有方案 , 本方案具 有  输 出脉 冲质量高 , 结构 简单 , 本低 , 成 同时稳定 效果 
好, 易于 实 现 的优 点 。   参 考 文 献 
1 Na a a   , s i a E, a r    d a  h s - c e -o p   k z wa M Yo h d   T mu a K I e lp a e l k d l o   o

() t  ue ig bAf rq ez   es n

( L )oea o f  0 G  rim—o e b r ae s g P L p rt no  1  Hz bu d pdf e  r i   i a e i l s un
rg n r t e e e e ai  mo eo k n  a  a p i a v l g   c n r l   v d lc i g s  o t l o t e o tol c a d e

图 5 光脉 冲 自相 关 曲线   
F g 5 Au o o r l t n ta e o   u s s i.   tc re a i  r c   fp le   o

ocl trEet nLu,19 3 ( 5 :3 8—12   sia . l r  e o co 9 7,3 1 ) 1 1 30
2 Na a a   ,Yo h d   Ki r   Ul a t b e h r n c l     k z wa M s i a E, mu a Y. ts a l   a mo ia l r y a d r g n r t ey mo e o k d p l rz t n ma na n e b u n   e e e a i l   d lc e   o a ia i   i t i   r i m  v o

在实 验 中 , 别 做 了 两 组 时 间 一 长 漂 移 的实 验 . 分 波   初 步 验 证 了方 案 长 时 问 稳 定 的 效 果 .在 锁 模 激 光 器 

工作稳定 的情 况下 , 每隔 5m n 录一次 波长 , 录    i记 记
了 10 mi 0   n的数 据 .结 果 如 图 6 可 以 看 出 , 未 加  , 在
3  

i rl r l r  e f e  e.Eet nL t,19 3 1 ) 10 b a s co t 9 4,o( 9 :6 3—10   65
S a  X ,S i t D M.No e meh d t  s p r s  n ie n hn pr  i vl t o   o u p e s o s  i  h r n c l   d lc e   r i m  b r l e s Elcr n L t, a mo i al mo eo k d e b u f e   a r . e t   et  y i s o

波长锁定器 时 6 a , ( ) 激光器输 出的波长 变化范 围 比 
较 大 , 致 是 0 6 m 左 右 , 会 导 致 输 出 脉 冲 不 稳  大 .n 这 定 , 时会 出现 双 波 长 起 振 , 坏 的 情 况 下 , 至 会  有 更 甚 失 锁 ( 是 大 色 散 腔 的 固有 问题 ) 这 .而在 加 入 了 波 长  锁 定 器 的情 况 下 , 长 非 常 稳 定 , 图 6中 可 以 看  波 从 出 , 长 在 整 个 10mi内仅 仅 变 化 了 不 到 00 m, 波 0  n .1   n

19 ,9 1 ) 9 9— 8  9 3 2 ( 1 :7 9 1
4   Ha v y G  r e   T, l n a e     . r n c l   d  lc e   Mo e u u r L F Ha mo i al mo e o k y d i ri g a r i f e  rn  l e  w t  a   n e n l a r — e o sa i z r o   b s h l i tr a f b y p r t t b l e  f r l i

slo  as sin o t e ,9 3 1 ( ) 17—19 o tnt nmi o . p  t 19 ,8 2 :0 i r s Lt 0 
5 On d r  N. u e mo e e a s p r s in i h r n c l     o ea S p r d  b t u p e so   n a mo ial y mo e lc e   r i m? o  ̄l i r rn   a e   i   o o i   d - k d e b u ? p  f - o d e b   g l r w t c mp s t i s h e

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cvt s utr. l t nL t,9 7,3 1 ) 9 1 ai  t cue Ee r  e 1 9 3 ( 1 :6  y r co t
6  





报 

3 3卷 

tert a n x ei n l nls   f cie   o eokd h oei a de pr c l met   ayi o  t l m d l e   aa s a vy c
i r ls r S mio du t r P f e  a e . e c n c o   h t n s a   e h oo y 2 0 8 b o o i   n T c n lg c d 0 2,  


于 晋龙 , 晓红 , 恩 泽 , . C 马 杨 等 AB D矩 阵方 法在 主动 锁模  光纤 激 光器 理 论与 实验 分 析 中的应 用 .光 子 学报 ,02, 20  
3 ( ) 8 1— 5   1 7 :5 8 4
Yu J L, a X  , n     e  1 Aca Ph tnc   iin    M   H Ya g E Z, ta . t  o o ia S nc
.  

( : 0~ 5 2) 8 8  
8 S u C, Zh o Y h r c e s is o  d s r i n t n n   i     h  a   .C a a t r t   f ip so -u i g n i c e h r n c l   mo e lc e   fb r ls r I EE  Ph t n c  a mo i al y d — k d i e  a e . E o o o is

2 0 3 ( ) 8 1~8 4 0 2,1 7 :5 5 
7 Fe g E   n    B,Ma  H.Ap l ai n f  X p i t  o  ABCD o ma im i  c o  f r l s n

T cn l  e e ,9 8,0 8 1 0 eh o g L t r 19 1 ( ):16—10   o y ts 18

A  v lS h m e f r t e Ca iy Le g h S a ii   fAc i e y No e   c e   o  h   v t   n t   t b lt o   tv l   y
M o -o k d  be   de l c e Fi r Las r e 
L  n n,   iln W a g Ja Da  ue g, n   z  iYa a Yu Jno g, n  in, i f n Ya g En e J

Sh o o l t n sa   f r ai   n ier g, e a oaoyo poE c o i  nomain c n Ⅱ  c , co lfE c o i   n I om t nE gnei K yL brtr    e r c d n o n fO t. l t nc I r t   ,   f     e r s f o l s
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Ab t a t A  o e c e  sp o o e  o  tbl ig a t ey mo e 1c e   b rls r Ero   in s a e o t i e   sr c   n v lsh me i r p s d frsa i zn   ci l  d .o k d f e a es   i v i r r sg a   L   b a n d l r


frte s h me b   ee t g te c vt  hf wi     v ln t o k r T e er rsg asa e u e   rc mp n ai g 0     c e   yd tci  h   a i s i  t a wa ee gh l e h n y t h c h   ro  in l r  s d f   o e s t     o n


frc a g so   ec vt e gh.   eu  se tb ih d frraii gt ep o o e  c e o  h n e  ft  a i ln h y t A s t p i sa l e  o e zn  h   rp s d s h me P le ta n   t     d h o     s l u s  r i s wi a wi t   f h


7.   sa e o ti e  n t e e p rme t . e s p r d  u p e so  a i  e c e   0 d   d a  mp o e n   f   d   6 p   l   b a n d i h   x e i n s T   u e mo e s p r s i n r t r a h s6   B a   i r v me to   5 B h o n n 3  

i  d   ya dn   tb l ain d vc s A  v ln h s i sas   a u e w ih i 1 s   h n 0.   m  t i     sma e b   d i g s i z t   e ie . wa ee g   hf i lo me s rd a i o t t   h c  s e s t a   OI   n wi n 2 h


h u , n   h s v l e i a o to e sx i s o   a   t o ta d n   t i z t n d v c s T e r s i   h w t a   a i   o r a d t i au  s b u   n   i t   f t twi u   d i g sa l a i   e i e h   e u t s o   h tc v t s     e h h b i o s y


ln h sa i t  n   o s  u p e so   e oma c   r  c   etr ta   h s  u l h d b fr e g   tb l y a d n ie s p rs in p r r n e a e mu h b t   n to e p b i e   e0 e t i f e h s
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